1. Описание объекта проектирования

2. Разработка структурной функциональной схемы устройства

Для осуществления МПУ ДПТ потребуются следующие устройства:

– однокристальная микроЭВМ;
– датчик скорости (на эффекте Холла);
– жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);
– клавиатура;
– драйвер управления IGBT транзистором.
МикроЭВМ (микроконтроллер) обеспечивает управление всей схемой и соответственно позволяет выполнять все заданные функции, т.о. микроконтроллер является основой всего устройства. Датчик скорости служит для определения скорости вращения вала двигателя путём измерения времени между двумя цифровыми сигналами, поступившими с него. ЖКИ и клавиатура позволяют выводить и задавать скорость вращения двигателя, а драйвер управления IGBT транзистором и сам IGBT транзистор делают возможным регулирование скорости ДПТ путём широтно – импульсной модуляции (ШИМ).
В основу структурной функциональной схемы МПУ (рисунок 2.1) был положен аппаратно-программный метод реализации алгоритма, предполагающий разработку как программных, так и аппаратных средств. Сюда относятся построения устройств управления с программной логикой на основе микропроцессора. Этот вариант охватывает широкие возможности для применения больших интегральных микросхем (БИС) в аппаратуре устройств защиты и позволяет в наибольшей степени согласовать разрабатываемые аппаратно-программные устройства с особенностями решаемых задач.

Рисунок 2.1 Структурная функциональная схема устройства
МК – микроконтроллер
ДС – датчик скорости
ДПТ – двигатель постоянного тока
ЖКИ – жидкокристаллический индикатор

3. Разработка аппаратного обеспечения

3.1 Выбор микроконтролера

В качестве центрального узла могут быть применены различные микропроцессоры и микроконтроллеры, например, микропроцессоры I8086, PIC – контроллеры, семейство MCS – 51. В случае использования микропроцессора потребуется подключение большого числа БИС обрамления. Поэтому рациональнее применить микроконтроллер, имеющий интеграцию всех необходимых для работы центрального микропроцессора узлов в одном кристалле.

В данном устройстве в качестве управляющего органа будет использована однокристальная микроЭВМ 80С552 фирмы Philips®. Этот кристалл содержит ядро и систему известного микроконтроллера 8051 фирмы INTEL®, но значительно превосходит его набором встроенных аппаратных средств и гибкостью их применения. Из аппаратных средств можно отметить наличие встроенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и аналогового коммутатора. Следует также отметить, что данный микроконтроллер требует наличие внешнего ПЗУ. Кристалл 80C552 имеет следующие возможности:

1. 
   систему команд и архитектуру 8051. При использовании внешнего быстродействующего ПЗУ позволяет применять кварцы до 30 МГц. Нижний порог частоты возбуждения 1,2 МГц;
   
2. 
   внутреннее ОЗУ – 256 байт, не считая управляющих SFR регистров;
   
3. 
   адресует по шине до 64 кбайт внешнего ПЗУ и столько же дополнительной внешней памяти данных;
   
4. 
   два 16 битных таймера Т0 и Т1 стандартной архитектуры от 8051;
   
5. 
   дополнительный (плюс к двум стандартным) 16 – битный таймер Т2, сопряженный с 4 встроенными схемами чтения на «лету» и с 3 регистрами сравнения «на лету». Узел защелкивания позволяет аппаратно измерять интервалы на 4 диаграммах дискретных сигналов одновременно. Узел сравнения позволяет аппаратно генерировать одновременно до 8 диаграмм дискретных сигналов;
   
6. 
   10-битный АЦП с 8-ми канальным мультиплексором и схемой выборки-хранения при входе. Время преобразования 37,5 мкс при частоте кварца 16 Мгц. Опорное напряжение задается внешним источником. Аналоговые схемы имеют изолированные от цифровых цепей входы питания плюс Avdd и аналоговый общий Avss. Это позволяет значительно уменьшить шумы. Общий Avss должен подсоединяться внешними цепями к цифровому общему Vss в оптимальной для конкретной схеме точке (уменьшение импульсных шумов из-за бросков тока). Положительное питание Avdd не должно превышать уровень питания цифровых цепей кристалла более чем на 0,7 В. Его следует фильтровать от импульсных помех. На рис. 3.1.1 приведена схема подключения некоторого источника сигнала Vin к одному из 8-ми входов аналогового мультиплексора ADCx.
   

микроконтроллер память программа стабилизатор

Рисунок 3.1.1. Схема питания встроенного АЦП

Здесь реализована простая RC-фильтрация питания аналоговых цепей кристалла и опорных напряжений. Предусмотрена защита с помощью диодов входа 80С552 от электрического пробоя при случайном выбросе напряжения на входе Vin. Наилучший динамический диапазон АЦП дают значения опорных напряжений дают значения опорных напряжений равные + AVref = AVdd и – AVref = AVss. При этом опорные напряжения не должны выходить за указанные пределы более чем на 0,2 В.

1. 
   два независимых 8 – битовых ШИМ генератора с программно регулируемым периодом следования (могут использоваться как выходы ЦАП);
   
2. 
   пять стандартных портов ввода-вывода. Из них два использованы как микропроцессорная шина, а остальные имеют альтернативные функции;
   
3. 
   сторожевой таймер T3.
   

Условное обозначение 80С552 показано на рисунке 3.1.2.



Рисунок 3.1.2 Условное обозначение 80С552
В таблице 3.1. приведены обозначения и назначение выводов кристалла 80С552.


Таблица 3.1. Назначение и номера выводов 80С552

Обозначение	Ножка	Назначение выводов и альтернативные функции
VDD	2	Питание +5 В цифровых схем кристалла
STADC	3	Внешний пуск АЦП. Пуск может быть и по программе. Не оставлять этот вывод висящим в воздухе.
/PWM0	4	Инверсный Выход ШИМ генератора 0
/PWM1	5	Инверсный Выход ШИМ генератора 1
/EW	6	Инверсный Вход разрешения встроенному сторожевому таймеру Т3. Не оставлять этот вывод висящим в воздухе.
P0.0 – P0.7	57…50	Порт0. Двунаправленная мультиплексированная шина данных и младших адресов А0 – А7.
Р1.0 – Р1.7	16…23	Порт1. Двунаправленный порт. Имеет следующие альтернативные функции:
CT0I – CT3I	16…19	Входы для четырех схем захвата таймера Т2.
T2	20	Вход внешних импульсов для таймера Т2 (могут быть внутренние)
RT2	21	Вход внешнего сброса для таймера Т2
SCL	22	Линия синхронизации последовательной шины I2C SCL
SDA	23	Линия данных последовательной шины I2C SDA
Р2.0 – Р2.7	39…46	Порт2. Выход старшей половины адреса А8 – А15
Р3.0 – Р3.7	24…31	Порт3. Двунаправленный порт. Имеет следующие альтернативные функции:
RxD	24	Вход UART
TxD	25	Выход UART
/INT0	26	Инверсный вход внешнего сигнала прерывания 0
/INT1	27	Инверсный вход внешнего сигнала прерывания 1
T0	28	Вход внешних импульсов для таймера_0 (могут быть внутренние)
T1	29	Вход внешних импульсов для таймера_1 (могут быть внутренние)
/WR	30	Инверсный Выход строба записи во внешнюю память данных
/RD	31	Инверсный Выход строба чтения из внешней памяти данных
Р4.0 – Р4.7	7…14	Порт4. Двунаправленный порт. Имеет следующие альтернативные функции:
CMRS0 – CMRS5	7…12	Выходы с установкой или сбросом при достижении таймером Т2 заданного значения
CMТ0 – CMТ5	13, 14	Выходы с изменением на противоположный логического уровня при достижении таймером Т2 заданного значения
Р5.0 – Р5.7	68… 62, 1	Порт5. Двунаправленный порт. Имеет альтернативные функции в виде аналоговых каналов мультиплексора ADC0 – ADC7 АЦП
RST	15	Вход для сигнала сброса процессора. Когда срабатывает сторожевой таймер Т3, то RST генерится на этой ножке изнутри
XTAL1	35	Подключение кварца. Также вход от внешнего источника возбуждения кристалла
XTAL2	34	Подключение кварца. Когда используется внешнее возбуждение через ввод XTAL1, оставить этот вывод висящим в воздухе.
VSS	36,37	Две ножки общего вывода. Использовать обе.
/PSEN	47	Инверсный выход строба чтения из внешней памяти программ
ALE	48	Выход строба для защелкивания младшей половины адреса
/EA	49	Инверсный Вход для указания, что процессор должен использовать внешнюю память программ. Не оставлять висящим в воздухе.
-AVref	58	Подвод нижнего уровня опорного напряжения, но не ниже АVSS. Соответствует результату АЦП = 0.
+Avref	59	Подвод верхнего уровня опорного напряжения. но не выше АVDD. Соответствует результату АЦП = 3FFН
AVSS	60	Общий вывод аналоговых цепей кристалла
AVDD	61	Плюс питания аналоговых цепей кристалла